穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)對壓氣機進口流場均勻性影響

孫傳恒，潘寶財，劉明碩，肖　翠

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穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)對壓氣機進口流場均勻性影響

孫傳恒1，潘寶財2，劉明碩3，肖翠4

（1.哈爾濱軸承集團公司信息化辦公室，哈爾濱150036；2.北京汽車研究總院有限公司，北京101300；3.中國石油集團東北煉化工程公司吉林機械制造分公司，吉林吉林132021；4中國石油集團吉林石化公司研究院，吉林吉林132021）

根據(jù)前輸出軸燃氣輪機穩(wěn)壓室的設(shè)計要求，建立了4個具有典型環(huán)腔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓室模型，應(yīng)用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及數(shù)值模擬的方法，從進氣流場均勻性和進氣阻力兩個方面對不同模型進行計算分析，得到了最佳的進氣穩(wěn)壓室的環(huán)腔結(jié)構(gòu)形式。研究結(jié)果可為實際設(shè)計提供參考。

燃氣輪機；均勻性；環(huán)腔結(jié)構(gòu)；穩(wěn)壓室

本文根據(jù)前輸出軸燃氣輪機進氣穩(wěn)壓室的設(shè)計要求，設(shè)計出四種不同的進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)。以數(shù)值模擬的方法，考察穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)的不同對壓氣機進口流場均勻性的影響，最終選出一種最佳的進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)。

1　數(shù)值模擬方法

1.1計算域模型

根據(jù)實際要求，設(shè)計出了四種進氣穩(wěn)壓室方案進行數(shù)值模擬計算，并給出四種模型的幾何模型。四種模型的穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)與豎井都呈90°布置不變化，只改變穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)的進氣通流形式。

圖1　不同模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of different models

其中模型一進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)進氣橫截面為圓形，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型二到四的設(shè)計思想是仍然保持豎井與穩(wěn)壓室呈垂直角度不變，只改變環(huán)腔結(jié)構(gòu)的形狀。模型二為進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸縮圓形。模型三為進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸縮方形。模型四為進氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸擴圓形。

1.2網(wǎng)格劃分

為了加快計算速度，四個模型進氣道流場計算域網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。選取模型一的進氣道網(wǎng)格及其穩(wěn)壓室局部網(wǎng)格為代表本文采取的網(wǎng)格方案，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Mesh generation schematic diagram

1.3邊界條件

進口：質(zhì)量進口以便控制流量，工作環(huán)境壓力101 325Pa，進氣溫度300K，法向氣流方向；出口：壓力出口，工作環(huán)境壓力101 325Pa，出口壓力設(shè)為默認(rèn)；固壁：絕熱，無滑移。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

按照前述條件對各個模型進行了全流場三維數(shù)值仿真，計算過程中四個模型均計算了25、27、29、30、31、33、35kg/s等七個工況點。圖3為各模型在流量30kg/s工況下的流線分布。

圖3　各模型的流場速度沿流線分布Fig.3　Four models'flow field distribution along streamline

從圖中可以看到氣流基本平行地流入豎井進氣道。在進氣穩(wěn)壓室的上半部，氣流順暢地流入壓氣機進口。在進氣穩(wěn)壓室的下半部，氣流先由底部向上翻轉(zhuǎn)，然后再進入壓氣機進口。在進氣道的出口截面，靠近環(huán)形喇叭口的部分內(nèi)壁處有旋渦產(chǎn)生。

由圖可知，進氣道內(nèi)氣流速度差別很大。氣流在豎井內(nèi)與在穩(wěn)壓室上半部分速度較小，而在進入壓氣機段后速度變得很大。還可以看到，氣流速度發(fā)生劇烈變化發(fā)生在壓氣機導(dǎo)流罩部分。根據(jù)連續(xù)方程為常數(shù)，由于壓氣機段截面積相對于進氣穩(wěn)壓室截面積要小得多，而對應(yīng)的密度變化不是很大，當(dāng)面積突然減小時，伴隨的必然是速度突然增大。其中具有圓截面的模型一的流場均勻度最好。

表1　30kg/s流量下各個模型總壓損失Tab.1 Total pressure loss of each model under the flow in 30kg/s

表1給出了流量為30kg/s時各個模型進氣道內(nèi)總壓損失和豎井進口到壓氣機進口總壓損失值。

3　結(jié)論

本文在數(shù)值模擬的內(nèi)容上，對網(wǎng)格生成方面做了優(yōu)化處理。對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的進氣道做了分塊化處理，所有模型均采用了塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。設(shè)計的四個進氣方案中，方案一是最佳的進氣方案。也就是說，穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)采用橫截面積為圓形的通流形式時，進氣效果最好。最佳進氣方案進氣道內(nèi)的總壓損失最小，其壓氣機進口截面面平均不均勻度和最大局部不均勻度也都是最小的。

［1］劉光宇.船舶燃氣輪機裝置原理與設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992：1-7.

［2］ 王鐘銘.艦船燃氣輪機裝置［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1981：180-181.

［3］石寶龍，孫海鷗，劉順隆，等.大渦模擬在船用燃氣輪機進氣流場中的應(yīng)用［J］.汽輪機技術(shù)，2004，（46）：4.

［4］王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：1-16，24-43，113-123，114-167.

Effect of plenum ring cavity structure on inlet flow field uniformity of compressor

SUNChuan-heng1，PANBao-cai2，LIUMing-shuo3，XIAOCui4

（1.Harbin Bearing Group Company Information Office，Harbin 150036，China；2.Beijing Automotive Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；3.CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Corporation，Jilin Machinery Manufacturing Branch，Jilin 132021，China；4.CNPCJilin Institute of Petrochemical Company，Jilin 132021，China）

Based on the design requirements of gas turbine plenum of output shaft，four plenum models with typical ring cavity structure were built，structured grid and numerical simulation method were applied to calculate on different models from inlet flow field and intake resistance，and then obtained the best ring cavity form of inlet plenum.The results can provide a reference for the actual design.

Gas turbine；Uniformity；Ringcavitystructure；Plenum

TH452

A

1674-8646（2016）15-0008-02

2016-06-30

孫傳恒（1981-），男，黑龍江伊春人，學(xué)士，從事機械自動化的計算機相關(guān)應(yīng)用研究。